Твердотельная електроника / Tverdotila_elektronika

активації ( WÄ 0,16 еВ – для кремнію з домішками, WÄ (0, 01 0,13) еВ – для германію з домішками), навіть

при кімнатній температурі відбувається повна іонізація 5- валентних атомів, яка супроводжується заповненням зони провідності вільними електронами (рис. 1.4 б). Вільні електрони у ЗП можуть з являтися і внаслідок дії механізму власної провідності, як у бездомішкових НП. Але ймовірність цього набагато нижча, ніж імовірність процесу активації домішок. Тому у ЗП зосереджується набагато більше вільних електронів, ніж є дірок у ВЗ, оскільки іонізація донорного атома не супроводжується утворенням дірки.

Отже, в НП з донорними домішками концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Символічно це записується так: у стані термодинамічної рівноваги nn0 >> pn0 , де nn0 – рівноважна концентрація

електронів у НП донорного типу (n-типу); pn0 – рівноважна

концентрація дірок у НП n-типу. Електрони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Концентрація електронів у НП n-типу може бути

провідності НП.

Рівень Фермі у донорному НП зміщується у верхню половину ЗЗ. Його положення залежить від концентрації донорів N Ä (рівень Фермі зі збільшенням N Ä наближається

до ЗП).

9

1.1.3 Діркова провідність напівпровідників

Цей тип провідності здійснюється завдяки введенню у 4- валентний НП 3-валентних атомів галію Ga або індію In. У домішкових атомів не вистачає одного електрона для створення ковалентного зв язку і нестача може бути компенсована за допомогою електрона, звільненого внаслідок розриву ковалентного зв язку у 4-валентному атомі кристалічної ґратки. Домішки такого типу називаються акцепторними (лат. acceptor – той, що отримує), бо вони отримують електрони, вирвані з валентної зони. При цьому у ВЗ створюється вільний рівень – дірка (рис. 1.5 а, б).

Рисунок 1.5 - Механізм діркової провідності НП:

а – схема кристалічної ґратки; б – енергетична діаграма

Оскільки поява дірок у ВЗ для акцепторного НП здебільшого не супроводжується збільшенням числа електронів у ЗП, то дірок у НП стає набагато більше. Дірки у такому НП є основними носіями, електрони, кількість яких у кристалі незначна, є неосновними носіями. Енергія

називається напівпровідником р-типу.

10

Концентрацію дірок у акцепторному НП знаходять за

де N A – концентрація атомів акцепторних домішок; pi – власна концентрація дірок, pi ni .

Рівень Фермі в акцепторному НП зміщується у нижню половину ЗЗ, причому його енергетична відстань від ВЗ зменшується зі збільшенням концентрації акцепторів N A .

Існує загальна закономірність для домішкових

З (1.4) можна зробити висновок: введення в НП домішок приводить до збільшення концентрації носіїв заряду одного знака і до пропорційного зменшення концентрації інших носіїв завдяки зростанню ймовірності їх рекомбінації.

1.1.4 Рекомбінація носіїв заряду та тривалість їх життя

Упункті 1.1.1 йшлося про рекомбінацію пари електрондірка внаслідок зіткнення при здійсненні власної провідності НП. Ця рекомбінація, під час якої електрон з ЗП повертається у ВЗ, супроводжується виділенням енергії у формі квантів світла (фотонів) або енергії теплових коливань кристалічної ґратки (фононів). Така рекомбінація називається прямою (рис. 1.6 а).

Удомішкових НП існують й інші види рекомбінації. На рис. 1.6 б показано принцип рекомбінації за допомогою локального рівня. У забороненій зоні можуть з’являтися локальні енергетичні рівні, утворені домішковими атомами та різноманітними дефектами кристалічної ґратки. На локальний рівень із ЗП може переходити електрон, заповнюючи його. Згодом електрон може або повернутися

11

назад до ЗП, або перейти у ВЗ, рекомбінуючи з діркою. Останнє може бути інтерпретовано як захоплення дірки з ВЗ заповненим локальним рівнем. Ймовірність зіткнення дірки з нерухомим електроном, який утримується на локальному рівні, значно перевищує ймовірність зустрічі її з рухомим електроном із ЗП. Тому локальні рівні у забороненій зоні є ефективними центрами рекомбінації.

Рисунок 1.6 - До пояснення рекомбінації носіїв заряду

Подібно до попередньої діє поверхнева рекомбінація, яка зумовлена виникненням у НП додаткових «пасток» внаслідок осідання на поверхні кристала сторонніх молекул і механічної обробки.

Як відзначалося у п. 1.1.1, у стані термодинамічної рівноваги у НП встановлюється рівноважна концентрація носіїв. Але, крім теплового збудження, причиною збагачення НП електронами й дірками є освітлення, введення носіїв через контакт (інжекція) тощо. Енергія збудження в цьому разі передається безпосередньо носіям, у той час як теплова енергія ґратки залишається незмінною. Отже, надлишкові носії заряду не перебувають у стані теплової рівноваги з ґраткою і називаються нерівноважними. Якщо рівноважні носії розподілені в кристалі рівномірно, то нерівноважні носії можуть утворювати градієнт концентрації.

При утворенні надлишкової концентрації носіїв заряду у НП змінюється концентрація як основних, так і неосновних

12

носіїв. Оскільки надлишкова концентрація основних носіїв дуже мала порівняно з рівноважною, то зміну концентрації основних носіїв контролювати неможливо. Надлишкова концентрація неосновних носіїв, що утворюється, набагато більше впливає на зміну концентрації останніх.

Коли дія збудника на НП припиняється, надлишкова концентрація неосновних носіїв починає зменшуватися внаслідок їх рекомбінації з основними носіями. Будемо вважати, що швидкість спаду концентрації неосновних носіїв пропорційна надлишковій концентрації цих носіїв (дірок):

де а – коефіцієнт, що залежить від типу НП;

pn нерівноважна концентрація дірок у НП n-типу. Інтегруючи вираз (1.5) і вважаючи, що в момент

припинення дії збудника концентрація pn pn1 , одержуємо

закон зміни концентрації нерівноважних носіїв – дірок у НП n-типу:

p 1/ a називається тривалістю життя неосновних носіїв

(дірок).

Отже, тривалість життя нерівноважних носіїв у НП - це час, впродовж якого концентрація цих носіїв унаслідок рекомбінації зменшується в е раз.

13

1.1.5Види струмів у напівпровідниках

Унапівпровідниках розрізняють дрейфовий та дифузійний струми.

Причиною дрейфового струму є дія на НП електричного поля. Внаслідок зіткнення носіїв, що рухаються під дією

електричного поля, з атомами ґратки їх рух має уривчастий характер. Цей рух характеризується рухомістю :

( n P ). Ця величина залежить від температури (з підви-

щенням температури рухомість зменшується внаслідок того, що зростає хаотичність руху носіїв, як це показано на рисунку 1.7), а також від концентрації домішок.

14

де q 1, 6 1019 Кл – заряд електрона;

nконцентрація електронів;

n середня швидкість електронів.

Густина діркового струму за аналогією

Загальна густина струму через НП під дією електричного поля

закон Ома у диференціальній формі.

jäð q(n n p p )E ( n p )E –

загальна питома провідність напівпровідника.

У донорному НП nn0 pn0 , отже, загальна питома провідність цілком визначена електронною провідністю

n qnn0 n .

Вакцепторному НП pp0 np0 , і, отже,

p qpp0 p .

Незважаючи на те, що з підвищенням температури рухомість носіїв зменшується, зростання концентрації

15

вільних носіїв унаслідок розриву ковалентних зв’язків відбувається швидше, і це приводить до зростання електропровідності НП.

Причиною дифузійного струму у НП є нерівномірний розподіл концентрації носіїв уздовж кристала. Якщо n n(x) і p p(x) , тобто концентрації носіїв є функціями

координати х, то носії рухатимуться з області, де концентрація носіїв вища, до області, де концентрація їх нижча.

Густина дифузійного струму у НП: - для електронної складової

відповідно електронів та дірок.

Градієнт концентрації носіїв уздовж осі х показує ступінь нерівномірності розподілу носіїв у цьому напрямі.

1.2 Електронно - дірковий перехід та фізичні процеси в ньому

1.2.1 P-n переходи та способи їх виготовлення

Електронно-дірковий перехід представляє більш широкий клас електронних переходів. Електричний перехід у напівпровіднику – це тонкий граничний шар між

16

областями єдиного монокристала з різними фізичними характеристиками. Переходи створюються між областями напівпровідника з різними типами провідності ( p-n

переходи або електронно-діркові переходи), між областями напівпровідника з електропровідністю одного типу, але з

різною концентрацією домішок ( n - n та p - p переходи), між областями легованого та чистого

(гетеропереходи), між напівпровідником і металом тощо. Електричні переходи створюються різними способами.

Найбільш поширеними серед них є точково-контактний, сплавний, мікросплавний, дифузійний, дифузійно-сплавний, епітаксіальний способи.

Точково-контактний спосіб полягає у формуванні контакту металевої голки з поверхнею НП з подальшим сплавленням за допомогою пропускання через них коротких імпульсів струму (рис. 1.8 а).

Спосіб сплавлення здійснюється за допомогою вплавлення домішок у пластинку чистого НП, після чого матеріал домішок обпалюється. Переходи, що виготовляють цим способом, мають відносно велику площу контакту, велику ємність, а тому здатні пропускати великі струми і можуть застосовуватися в потужних напівпровідникових приладах (рис. 1.8 б).

Рисунок 1.8 – Способи виготовлення р-n – переходів: а – точково-контактний; б – сплавний; в-мікросплавний

17

Мікросплавний спосіб зумовлює створення переходу навколо контакту металевої голки з плоским кінцем з поверхнею НП. У цьому випадку площа переходу в 2-3 рази більша, ніж площа точково-контактних переходів, але у сотні разів менша за площу сплавних переходів. Ємність мікросплавних переходів невелика, допустимий прямий струм через перехід у кілька разів перевищує струм точкових переходів (рис. 1.8 в).

Дифузійний спосіб полягає у введенні в НП домішок завдяки їх дифузії з газового або рідинного середовища при температурі, що приблизно дорівнює температурі плавлення НП. Дифузія здійснюється вздовж усієї поверхні напівпровідникової пластини або на певних її ділянках через спеціальні маски.

Дифузійно-сплавний спосіб є комбінацією сплавного та дифузійного способів. Спочатку здійснюється вплавлення домішок, а потім їх дифузія, яка забезпечує створення потрібного градієнта концентрації носіїв заряду.

Епітаксіальний спосіб створення переходів полягає в нарощуванні монокристалічного шару НП з розплаву на напівпровідникову пластину, яка має таку саму кристалічну будову, як і нарощуваний шар.

Розрізняють несиметричні p-n переходи - між напів-

провідниками з концентраціями основних носіїв заряду (концентраціями домішок), що відрізняються між собою в

10 3 - 10 4 разів ( pp0 nn0 або pp0 nn0 ), і симетричні – між напівпровідниками з приблизно однаковими концент-

Різким називають перехід, уздовж якого концентрація носіїв змінюється на відстані, меншій за дифузійну довжину цих носіїв.

18